CN103047683B

CN103047683B - 一种三级油路部分预混预蒸发燃烧室

Info

Publication number: CN103047683B
Application number: CN201210578897.7A
Authority: CN
Inventors: 马存祥; 陈卫; 邓远灏; 钟世林; 徐华胜
Original assignee: China Gas Turbine Research Institute
Current assignee: AECC Sichuan Gas Turbine Research Institute
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2032-12-27
Also published as: CN103047683A

Abstract

本发明属于航空发动机领域，涉及一种一级直接喷射燃烧模式和两级部分预混预蒸发燃烧模式的低排放燃烧室，燃烧室的头部由预燃级、中间级和主燃级构成，其中预燃级由一级斜轴向涡流器、文氏管和预燃级喷嘴构成；中间级由一级斜轴向涡流器、套筒、预混段和中间级喷嘴构成；主燃级由一级斜轴向涡流器、预混段和直接燃油喷射式喷嘴构成。本发明预燃级采用单油路离心喷嘴，通过压力雾化达到所需燃油浓度分布和尺寸分布；中间级和主燃级采用直射式喷嘴进行初始压力雾化，之后进行二次气动雾化，即对燃油液滴进行剪切以达到良好的雾化，可以较大幅度降低污染物排放，尤其是中间级能有效降低30%额定推力状态的污染排放，避免主燃级分级带来的各种问题。

Description

一种三级油路部分预混预蒸发燃烧室

技术领域

本发明属于航空发动机领域，涉及一种一级直接喷射燃烧模式和两级部分预混预蒸发燃烧模式的低排放燃烧室。

背景技术

国际民航组织在80年代就颁布了“环境保护标准”和“航空发动机排放”条例，并不断修订完善，目前已开始执行CAEP 6排放标准。各大航空发动机公司和研究机构均把控制污染物排放作为重要课题进行研究，其中低排放燃烧技术是民用航空发动机最重要的研究内容之一。由于污染排放是适航取证对民机发动机的强制性要求，欧美的几家国际知名航空发动机公司针对越来越严厉的排放要求，实施了先进民用发动机研制计划，掌握了低排放燃烧室的关键技术。GE公司研制的燃烧室采用最新的双环预混旋流(TAPS)组织燃烧技术，已用于Leap-X发动机上，其NOx污染排放比CAEP 6低47.7％。PW公司采用RQL技术发展的TALON X燃烧室在PW1000G发动机上，预计NOx污染排放比CAEP 6低40％。RR公司采用ANTLE计划发展的LDIS低污染燃烧室，其NOx污染排放比CAEP 2标准降低了50％。

GE公司的TAPS燃烧技术已申请了多项美国专利，专利号为US006354072B1、US006381964B1、US006389815B1等的低排放燃烧室头部专利提出的技术方案是：预燃级由离心喷嘴、两级轴向旋流器、文氏管和套筒构成，主燃级由直射式喷嘴和一级或两级径向旋流器构成，结构比较复杂，轴向长度太长，导致头部(大喷嘴)很大，需要在机匣上开很大的孔才能装拆头部。专利号为US006993916B2的双环反旋旋流(Dual Annular CounterRotating Swirler，DACRS)燃烧器专利提出的技术方案是：DACRS燃烧器包括两级轴向涡流器、中心体和直接燃油喷射式喷嘴，一级涡流器叶片开有燃油通道，在叶片顶部端面开有燃油槽，燃油通过第二级涡流器叶片通道中的喷孔喷射入旋流空气中进行预混预蒸发。北京航空航天大学也申请了几种贫油预混预蒸发燃烧室的专利，申请号为200810105062.3的专利提出的技术方案是：预燃级由离心喷嘴、一级轴向涡流器和收扩段构成，主燃级由直射式空气雾化喷嘴、一级径向旋流器和收扩件构成，主燃级燃油的气动雾化不是很强，且出口收敛不是很明显，容易造成回火；预燃级的收扩段喉道直径太大，容易使副燃级空气流量分配过大，进而影响副燃级点火和熄火性能，还可能会造成副燃级喷嘴积碳结焦。中国燃气涡轮研究院已申请了三种贫油部分预混预蒸发燃烧室的专利，授权号分别为CN202032613U、CN202032612U和CN202082953U，这三项专利提出的技术方案是：头部方案采用中心分级的两级油路DIPME混合燃烧模式，预燃级由离心喷嘴、一级轴向旋流器、缩扩段构成；主燃级由直射式喷嘴和一级轴向(径向)或一级轴向和一级径向涡流器构成，在大状态和小状态具有很好的燃烧性能和污染排放特性，而对于30％额定推力状态，主油分级带来了一定问题，使燃烧性能和污染排放不能较好协调。

NOx是航空发动机燃烧室设计人员需要重点考虑的污染物之一，在航空发动机中，NOx主要由燃烧区火焰温度和燃气停留时间决定。目前已有低污染燃烧室开始采用贫油预混预蒸发技术来保证燃烧区的当量比在0.5～0.65范围内，有效控制火焰温度从而降低NOx的生成。采用该技术的燃烧室通常其预混段较长，容易出现自燃和回火，又由于这种燃烧室在贫油状态燃烧，混合蒸发的很好，使得出现不稳定燃烧的机率倍增。传统的燃烧室采用富油头部设计，燃烧区的当量比在1.0左右，这种燃烧方式无法降低污染物，特别是NOx的生成量，但这种燃烧室相对于采用贫油预混预蒸发技术的燃烧室工作更稳定，其某些燃烧室基本性能更高，比如慢车贫油熄火边界(LBO)和贫油点火边界(LLO)。

要保证燃烧室的性能同时还要降低污染物排放，需要将以上两种技术结合，预燃级采用直接喷射燃烧模式，主燃级采用贫油部分预混预蒸发燃烧模式，在一个燃烧室头部中将两种燃烧模式结合形成的混合燃烧模式，既能保证燃烧室的性能要求，又能保证污染物排放的要求。由于民用航空发动机对返场状态的污染排放和燃烧性能的特殊要求，需要对两方面的性能进行折中考虑，因此，对LPP燃烧室来说，就需要在返场状态进行燃油分级。两级油路分级燃烧会降低大状态部分燃烧性能；而三级油路刚好能够解决返场燃油分级带来的问题。

发明内容

本发明的目的：提供一种能够保证燃烧室性能并且降低污染排放及便于头部装拆的直接燃油喷射的三级油路部分预混预蒸发燃烧室。

本发明的技术方案是：一种三级油路部分预混预蒸发燃烧室，包括扩压器11、外机匣12、内机匣13、喷嘴14、燃烧室头部15、火焰筒16和电嘴17，所述燃烧室头部15由预燃级30、中间级31和主燃级32组成，其中：

1预燃级30由预燃级斜轴向涡流器33、文氏管34和预燃级喷嘴35构成；预燃级喷嘴35出口端面与预燃级斜轴向涡流器33出口端面平齐；

2中间级31由中间级斜轴向涡流器37、套筒42、预混段46和中间级喷嘴36组成；中间级喷嘴36环在预燃级喷嘴35之外，燃油通过中间级集油腔54流经一级涡流器叶片51通道52，经过中间级斜轴向涡流器37叶片通道中的喷孔53喷射入燃烧室；

3主燃级32由预燃级斜轴向涡流器39、预混段45和直接燃油喷射式喷嘴55构成，直接燃油喷射式喷嘴55与套筒42相连接，由主燃级集油腔56和套筒上的大孔41及主燃级斜轴向涡流器39通道中的喷口40组成。

所述一级涡流器叶片51安装角度在30°～45°之间，一级涡流器叶片51数量在10～16片之间，旋流强度在0.5～0.7之间。

所述二级涡流器叶片58安装角度在30°～40°之间，二级涡流器叶片58数量在10～16片之间，旋流强度在0.4～0.6之间。

所述斜轴向涡流器叶片59安装角在35°～45°之间，使得主燃级旋流强度在0.6左右；且旋向与中间级旋流器37旋向相反。

所述斜轴向涡流器33和37旋向相同，并与预燃级喷嘴35旋向相反，保证良好的雾化和合理的燃油浓度、尺寸分布。

所述中间级预混段46轴向长度50在15mm～20mm之间，主燃级预混段45轴向长度49在20mm～30mm之间。

所述头部转接段设置有直径0.5mm～1.2mm的冲击冷却小孔43，对挡溅盘44进行冷却；所述中间级喷嘴36喷孔53直径0.5mm～0.7mm，喷孔数量4～8个，喷射角度垂直通道壁面；所述直接燃油喷射式喷嘴55喷口40直径0.5mm～0.7mm，喷口数量4～8个，喷射角度可以垂直通道壁面，亦可沿通道壁面法向偏转-45°～45°。

中间级套筒42与主燃级斜轴向涡流器39之间通过接触面57相配合，以便头部装拆所需。

根据需要火焰筒16上还设置有主燃孔18和掺混孔19。

本发明的有益效果是：本发明预燃级采用直接喷射燃烧模式，既保证燃烧室稳定工作，又能减少小工况污染物排放，其文氏管设计不仅能解决喷嘴和文氏管积炭问题，还能保证在预燃级下游形成有助于点火和火焰稳定的回流区结构；中间级采用富油或贫油部分预混预蒸发燃烧模式，主要解决返场状态的燃油分级问题；主燃级采用贫油部分预混预蒸发燃烧技术，能较大幅度降低NO_x、UHC、CO和烟粒子等污染物的排放；主燃级斜轴向涡流器的设计考虑了预防回火现象的出现；主燃级斜轴向涡流器和平直预混段的设计考虑了头部装拆的问题。采用不同的头部进气，NO_x排放能达到比CAEP 6低45％～75％。

附图说明

图1为低排放燃烧室示意图

图2为一种三级油路混合燃烧模式的部分预混预蒸发的头部结构方案

图3为头部中间级结构示意图

图4为头部主燃级结构示意图

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例子详细介绍本发明。

本发明头部方案采用中心分级的三级油路DIPME(Rich/Lean DirectInjection and Lean Partial Pre-Mixing&Pre-Evaporation)混合燃烧模式，即在起动和小状态时，预燃级采用富油直接喷射(Rich Direct Injection)燃烧模式，该燃烧模式是通过副油路离心喷嘴和斜轴向涡流器及文氏管构成的预燃级实现局部富油，这种组织燃烧方式是介于预混燃烧和扩散燃烧之间；在中间状态(下降、返场等)时，预燃级采用富油直接喷射燃烧模式(Rich DirectInjection，局部当量比在1.2～1.4)或贫油直接喷射(Lean Direct Injection，局部当量比在0.7～0.9)燃烧模式，以保证返场燃烧稳定性，中间级采用贫油部分预混预蒸发(Lean Partial Pre-Mixing&Pre-Evaporation)燃烧模式(局部当量比在0.5～0.65)；在大状态(包括起飞、爬升和巡航等状态)时，预燃级采用贫油直接喷射(Lean Direct Injection)燃烧模式，中间级和主燃级采用贫油部分预混预蒸发(Lean Partial Pre-Mixing&Pre-Evaporation)燃烧模式，使中心燃烧区起稳定火焰并降低燃气温度的作用，周围燃烧区为贫油部分预混预蒸发燃烧，燃烧区局部当量比控制在0.5～0.65之间，燃烧区温度控制在1700K～1900K范围内，并控制高温火焰的停留时间，从而有效控制NOx和CO的生成量。中间级和主燃级由斜轴向涡流器和压力直接燃油喷射式喷嘴组成，依靠喷嘴内外的压差进行一次雾化，再依靠斜轴向涡流器内的旋转气流剪切作用，可以使燃油得到充分的雾化，并与来流空气进行良好的部分预混合。

具体结构为：一种三级油路部分预混预蒸发燃烧室，包括扩压器11、外机匣12、内机匣13、喷嘴14、燃烧室头部15、火焰筒16和电嘴17，所述燃烧室头部15由预燃级30、中间级31和主燃级32组成，其中：

1预燃级30由预燃级斜轴向涡流器33、文氏管34和预燃级喷嘴35构成；预燃级喷嘴35出口端面与预燃级斜轴向涡流器33出口端面平齐；图1是采用中心分级的三级油路DIPME(Rich/Lean Direct Injection and Lean PartialPre-Mixing&Pre-Evaporation)混合燃烧模式的低排放燃烧室示意图，燃烧室10包括扩压器11、外机匣12、内机匣13、喷嘴14、头部15、火焰筒16和电嘴17，根据需要火焰筒上有主燃孔18和掺混孔19。燃烧室的工作情况是：空气从扩压器11进入燃烧室，超过50％的空气从头部15进入火焰筒16，其余空气通过燃烧室外环20和内环21进入火焰筒16，燃油通过喷嘴14进入火焰筒16，在火焰筒16内，电嘴17点火后，空气与燃油燃烧，从火焰筒出口22排出高温燃气。

图2是DIPME低排放燃烧室头部15结构细节，头部由预燃级30、中间级31和主燃级32组成。头部15进气量大约占燃烧室10总气量的50％～80％，具体进气量的多少同燃烧室的总油气比和冷却空气量有关，预燃级30进气量大约占燃烧室总进气量的5％～15％，具体进气量同燃烧室慢车状态油气比密切相关，中间级进气量大约占燃烧室总进气量的15％～25％，具体进气量同燃烧室返场状态油气比密切相关，主燃级32进气量大约占燃烧室总进气量的30％～40％，具体进气量同燃烧室起飞状态油气比密切相关。

预燃级30由预燃级斜轴向涡流器33、文氏管34和预燃级喷嘴35构成。斜轴向涡流器33有效流通面积与文氏管34喉道面积共同决定预燃级30空气流量，文氏管34的设计需要考虑喷嘴积炭，此外，必须保证在预燃级30下游形成有助于点火和火焰稳定的回流区结构。预燃级喷嘴35端面与预燃级涡流器33出口端面平齐，这样使得预燃级的燃烧方式介于预混燃烧和扩散燃烧之间，不仅有助于燃烧室工作稳定，也有助于降低小工况的污染物。在燃烧室所有工况中，预燃级30都要工作，在起动和小状态时预燃级是局部富油燃烧，在大状态时预燃级是贫油燃烧。

2中间级31由预燃级斜轴向涡流器37、套筒42、预混段46和中间级喷嘴36组成；中间级喷嘴36环在预燃级喷嘴35之外，燃油通过中间级集油腔54流经一级涡流器叶片51通道52，经过中间级涡流器37叶片通道中的喷孔53喷射入燃烧室；中间级31由预燃级斜轴向涡流器37、套筒42、预混段46和中间级喷嘴36构成。中间级旋流器37和预燃级旋流器33同旋向，但比预燃级旋流强度大，以形成良好的回流区结构。中间级涡流器37有效流通面积决定了中间级31空气流量。预混段46长度50在15～20mm之间能有效保证燃油达到部分预混预蒸发。中间级喷嘴36的喷油孔53与二级涡流器叶片58的数目相匹配，喷油孔53位于二级涡流器叶片58通道中间。

3主燃级32由预燃级斜轴向涡流器39、预混段45和直接燃油喷射式喷嘴55构成，直接燃油喷射式喷嘴55与套筒42相连接，由主燃级集油腔56和套筒上的大孔41及主燃级涡流器39通道中的喷口40组成。主燃级32由预燃级斜轴向涡流器39、预混段45和直接燃油喷射式喷嘴55构成。主燃级涡流器的旋流强度在0.6左右，在主燃级出口形成脱体火焰，有助于预防不稳定燃烧现象的出现。主燃级涡流器39的有效流通面积决定了主燃级32空气流量。预混段45长度49在20～30mm之间能有效保证主燃级燃油达到部分预混预蒸发。直接燃油喷射式喷嘴55与套筒42相连接，燃油从主油路进入主燃级集油腔56，通过大孔41，再从喷口40喷出，依靠喷嘴内外的压差进行一次雾化，再依靠涡流器的旋转气流剪切作用，使得主燃级燃油得到充分的雾化和部分预混合。主燃级32一般在30％推力以上状态工作，其燃烧方式属于贫油预混燃烧，在主燃级32下游形成脱体火焰，对控制NOx污染物非常有利。为了头部便于装拆，主燃级涡流器39与中间级套筒42之间通过接触面57相配合。

中间级套筒42与主燃级涡流器39之间通过接触面57相配合，以便头部装拆所需。

根据需要火焰筒16上还设置有主燃孔18和掺混孔19。

Claims

1.一种三级油路部分预混预蒸发燃烧室，包括扩压器(11)、外机匣(12)、内机匣(13)、喷嘴(14)、燃烧室头部(15)、火焰筒(16)和电嘴(17)，其特征在于，所述燃烧室头部(15)由预燃级(30)、中间级(31)和主燃级(32)组成，其中：

1)预燃级(30)由预燃级斜轴向涡流器(33)、文氏管(34)和预燃级喷嘴(35)构成；预燃级喷嘴(35)出口端面与预燃级斜轴向涡流器(33)出口端面平齐；

2)中间级(31)由中间级斜轴向涡流器(37)、套筒(42)、中间级预混段(46)和中间级喷嘴(36)组成；中间级喷嘴(36)环在预燃级喷嘴(35)之外，燃油通过中间级集油腔(54)流经一级涡流器叶片(51)通道(52)，经过中间级斜轴向涡流器(37)叶片通道中的喷孔(53)喷射入燃烧室；

3)主燃级(32)由主燃级斜轴向涡流器(39)、主燃级预混段(45)和直接燃油喷射式喷嘴(55)构成，直接燃油喷射式喷嘴(55)与套筒(42)相连接，由主燃级集油腔(56)和套筒上的大孔(41)及主燃级斜轴向涡流器(39)通道中的喷口(40)组成。

2.根据权利要求1所述的一种三级油路部分预混预蒸发燃烧室，其特征在于，所述一级涡流器叶片(51)安装角度在30°～45°之间，一级涡流器叶片(51)数量在10～16片之间，旋流强度在0.5～0.7之间。

3.根据权利要求2所述的一种三级油路部分预混预蒸发燃烧室，其特征在于，所述预燃级斜轴向涡流器(33)和中间级斜轴向涡流器(37)旋向相同，并与预燃级喷嘴(35)旋向相反，保证良好的雾化和合理的燃油浓度、尺寸分布。

4.根据权利要求3所述的一种三级油路部分预混预蒸发燃烧室，其特征在于，所述中间级预混段(46)轴向长度(50)在15mm～20mm之间，主燃级预混段(45)轴向长度(49)在20mm～30mm之间。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的一种三级油路部分预混预蒸发燃烧室，其特征在于，套筒(42)与主燃级斜轴向涡流器(39)之间通过接触面(57)相配合，以便头部装拆所需。

6.根据权利要求5所述的一种三级油路部分预混预蒸发燃烧室，其特征在于，根据需要火焰筒(16)上还设置有主燃孔(18)和掺混孔(19)。